石油管螺紋自動測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望*

潘存強，陳 林，萬 佳，王 旭

（1.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900；2.雷尼紹（上海）貿(mào)易有限公司，上海 200436）

螺紋是工業(yè)制造、工程建設(shè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的連接緊固件，各類機械結(jié)構(gòu)、輸送管道80%以上是通過螺紋嚙合連接。螺紋連接的質(zhì)量水平直接影響到油氣勘探、開采的作業(yè)安全及作業(yè)效率。2019年全球無縫油套管表觀消費量1 068萬t［1］，焊接油套管表觀消費量394萬t［2］，預(yù)計每年有超過1億頭的螺紋服役于油氣行業(yè)的勘探與開采作業(yè)。一個細微的螺紋質(zhì)量不合格，極端情況下會導(dǎo)致巨額財務(wù)損失、人員傷亡甚至環(huán)境災(zāi)難。在強化人員職業(yè)技能的同時，運用技術(shù)手段提升生產(chǎn)線螺紋檢測精度及檢驗效率，是行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)的攻關(guān)方向。寶山鋼鐵股份有限公司（簡稱寶鋼股份）在這方面獲得了重大研究進展。

1 石油管行業(yè)螺紋自動測量的歷程

隨著全球?qū)τ蜌赓Y源的需求進一步擴大，油氣開采的技術(shù)難度也一再突破技術(shù)極限，對連接強度及效率相關(guān)的螺紋質(zhì)量也提出了苛刻的要求。為控制產(chǎn)品質(zhì)量風險，各油井管生產(chǎn)商及研究機構(gòu)一直在探索石油管螺紋自動測量技術(shù)，API（American Petroleum Institute，美國石油協(xié)會）將螺紋測量自動化作為技術(shù)方向，專門組織人員攻關(guān)。從測量技術(shù)來分類，螺紋測量分為非接觸式與接觸式測量。

非接觸式測量是伴隨著光電測量與成像，計算機圖像處理技術(shù)發(fā)展起來的新型測量技術(shù)。測量元件與被測工件無接觸，具有不磨損、測量效率高等優(yōu)點，缺點是測量精度跟被測件的表面質(zhì)量（包括折光率、發(fā)射率）、光線行進路徑干擾（光線反射死角）及環(huán)境光源污染，檢測元件與工件的相對位置（同軸、同心）等因素相關(guān)。接觸式測量伴隨機械加工技術(shù)經(jīng)歷長時間發(fā)展和演化，測量方法的原理研究及實踐經(jīng)驗方面更成熟。接觸式測量都帶有不同類型的探頭，通過探頭在零件表面觸動/滑動感知零件表面形貌變化，這類測量裝備可以檢測平滑曲面和平面的質(zhì)量，探頭越小，感知精度越精確，輪廓儀可以精確測定物體表面的起伏變化；三坐標測量機可通過規(guī)劃軌跡測量較復(fù)雜的機械加工表面。

20世紀90年代末寶鋼股份聯(lián)合北京工業(yè)大學研制了接箍內(nèi)螺紋自動接觸式掃描測量裝置［3］，分在線式與便攜式兩種，在線式接箍內(nèi)螺紋掃描測量裝置安裝在生產(chǎn)線上批量測量接箍。中國石油石油管工程技術(shù)研究院聯(lián)合西安理工大學集合計算機控制技術(shù)和三坐標掃描測量技術(shù)［4］，研發(fā)了一種適用于生產(chǎn)現(xiàn)場的螺紋自動測量裝置。大慶石油學院蘭爽采用遠心放大投影光路獲得螺紋齒形圖像［5］，通過濾波、比對處理等圖像處理技術(shù)對螺紋進行幾何尺寸測量與分析。哈爾濱工業(yè)大學呂東方提出了用激光檢測螺紋參數(shù)的方法［6］。近期，國外相關(guān)企業(yè)及行業(yè)協(xié)會也投入大量的資源研發(fā)自動測量裝備。API協(xié)會在2018年度工作會議中通過了將螺紋自動測量納入標準的提案，成立WI3086a工作組專項推進。美國Autonetics公司研制的在線螺紋自動測量樣機已開始進行市場推廣，該裝備采用線激光投影測量技術(shù)，據(jù)其介紹，已經(jīng)在美國某鋼鐵公司投入運行。機床制造商埃馬克（EMAG）公司已經(jīng)在奧地利某工廠投運了接箍螺紋自動測量設(shè)備，通過反光鏡加線激光實現(xiàn)了對內(nèi)螺紋參數(shù)的測量。

經(jīng)過幾十年的技術(shù)發(fā)展，螺紋自動測量在測量原理及技術(shù)方案上已經(jīng)有了長足的進步，測量裝備在現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性方面還有很長的路要走。截至目前，行業(yè)內(nèi)尚未有成熟的適用于生產(chǎn)車間長期服役的自動螺紋檢驗裝置和檢驗工藝。

2018年起寶鋼股份與測量行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)英國雷尼紹（Renishaw）公司合作，嘗試在車間工況下實現(xiàn)螺紋自動測量，經(jīng)過兩年的努力，在內(nèi)螺紋測量方面獲得階段性成績。在生產(chǎn)現(xiàn)場進行的測量系統(tǒng)評價結(jié)果表明，該方案已經(jīng)符合工程化應(yīng)用條件。

2 相對測量的數(shù)字化及自動化拓展

2.1 相對測量及適用條件

檢測設(shè)備和待檢測工件的熱變形是車間測量不確定性的最大因素。晝夜變化和季節(jié)變化都存在溫度波動，隨著環(huán)境溫度的變化，檢測設(shè)備和工件將以不同的速率膨脹/收縮。通常24℃下測量工件得到的尺寸要大于在20℃下測量的尺寸。一個長度為300 mm的鋁制工件在4℃的溫差范圍將線性膨脹27.6μm?，F(xiàn)實情況下，很少有車間能夠全年穩(wěn)定維持不超過4℃的環(huán)境溫差。相對測量法可以將溫度波動對測量精度的影響降低到最小。

相對測量（relative measuring method）是指先根據(jù)被測對象特征選擇經(jīng)校正的計量器具，用該計量器具檢測并獲得標準信號參數(shù)A，然后通過測量被測對象獲得被測對象的信號參數(shù)B，將A與B相比較可以獲得被測對象的定性及定量結(jié)果。

英國雷尼紹公司生產(chǎn)的比對儀（Equator）是一款采用相對測量法的多功能測量儀器，適用于車間工況下的通用型量具，測量精度達到三坐標測量機水平，測量效率遠高于三坐標測量機。

比對儀的測量原理是：將一個已知的基準件置于與生產(chǎn)件相同的熱條件下并以相同的方式固定，首先在20℃的溫控校準實驗室內(nèi)測量基準件，以獲得基準件的真實尺寸；隨后在任意溫度下用量具重新測量此基準件，無論量具的示值是多少，均被標定為20℃時的尺寸，此過程稱為重新校準。每次在任何給定溫度下重新校準量具后，在量具上進行下一次測量得到的結(jié)果便相當于在20℃的實驗室中測量得到的結(jié)果。如果溫度變化超過關(guān)鍵閾值，必須重新測量基準件，實現(xiàn)這一點即可確保比對量具不受溫度變化影響。環(huán)境溫度變化率決定了重新校準頻率。比對儀與三坐標測量機比較見表1。

表1 比對儀與三坐標測量機的比較

2.2 比對儀測量的流程及準則

（1）取樣。從現(xiàn)場生產(chǎn)的產(chǎn)品中隨機取一件螺紋，表面清洗干凈后作為測量的基準件R。

（2）在溫控條件下獲取基準件的特征值及過程數(shù)據(jù)。在實驗室環(huán)境下用三坐標測量機，采用測量規(guī)范P，測量基準件R，測得特征值F0，獲得過程數(shù)據(jù)文件D0。

（3）生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境下，用基準件校準測量系統(tǒng)。將三坐標測量機產(chǎn)生的過程數(shù)據(jù)文件D0導(dǎo)入比對儀（圖1），選擇比對儀的標準件（MASTER）模式，采用測量規(guī)范P，測量基準件R，獲得測量數(shù)據(jù)f0，記錄當前溫度T0，得到過程數(shù)據(jù)文件d0。

圖1 比對儀示意

（4）生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境下，比較測量工件。選擇比對儀的測量（MEASURE）模式，用測量規(guī)范P測量工件W的特征F，得到測量數(shù)據(jù)f1，測量數(shù)據(jù)Δf=f1-f0就是測量件W與基準件R測量差異，通過測量數(shù)據(jù)與特征數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，可以得到測量件W的特征值F1。監(jiān)控當前溫度T1，如果T1與T0的差值超過閾值，在測量工件前先執(zhí)行第3步。

（5）確保測量精度的三相同/相似原則。

①溫度相同/相似。溫度波動對測量儀器及被測工件均有顯著影響，通過制定標準件（MASTER）模式與測量（MEASURE）模式之間溫度閾值，來消除溫度效應(yīng)對測量精度及重復(fù)性的影響。按照API尺寸公差精度范圍，通常將溫差控制在±2℃以內(nèi)。當測量過程中溫度波動超出閾值，需要重新校準測量系統(tǒng)。

②特征值相同/相似。盡量選擇基準件的特征值等于名義值。假設(shè)測量件特征值F0與基準件特征值F1相等，則在相同溫度條件下標準件模式下的測量數(shù)據(jù)f0與測量模式下的f1相等，f1與f0的差值越大，則測量過程中引入的比較誤差就越大。

③測量軌跡的空間位置相同/相似。假設(shè)基準件與測量件的擺放位置不一致，則測量軌跡在測量機器坐標系中的空間位置也不能保持一致，引入的空間誤差不能確定。為控制此類誤差，需要將測量過程的定位精度控制在±1 mm以內(nèi)。

3 測量系統(tǒng)的重復(fù)性和可靠性

3.1 測量設(shè)備Cg及Cgk

按照比對儀測量流程及準則的要求，從現(xiàn)場任意取一個接箍作為基準件。在溫控校準的實驗室用測量機測量基準件的質(zhì)量參數(shù)，包括齒高、螺距、錐度，密封面直徑、中徑等；將基準件放置在現(xiàn)場工況下，用標準件模式測量基準件，完成對測量系統(tǒng)的校準工作；另取一個接箍，在現(xiàn)場工況下，用測量模式重復(fù)測25次，評價測量設(shè)備的重復(fù)精度能力系數(shù)Cg及準確精度能力系數(shù)Cgk。

3.1.1 評定方法1（極差法）

同一工件，連續(xù)測量25次，將25次的測量結(jié)果最大差值作為誤差評定指標，即25次測量值分別為L1，L2…L25，取最大測量值為Lmax，最小測量值為Lmin，則極差值V=Lmax-Lmin，極差法評價時V≤10%T（T為被檢項目公差），極差法量具評估結(jié)果見表2。評價結(jié)論：測量極差均小于公差的10%，測量系統(tǒng)合格。

3.1.2 評定方法2（測量Cg或Cgk）

采用Cg或Cgk作為評價指標，計算公式為：

式中K——縮小系數(shù)，一般取0.2；

T——允許的測量結(jié)果分布寬度，mm；

XE——樣件的實際尺寸，mm；

X——平均測量值，mm；

S——標準偏差，mm。

通常Cg或Cgk∧1.33表示該量具合格。量具Cg及Cgk評估結(jié)果見表2。評價結(jié)論：Cg及Cgk遠大于1.33，測量系統(tǒng)合格。

表2 極差法量具評估和量具Cg及Cgk評估結(jié)果

3.2 測量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性

量具重復(fù)性（Repeatability），一個評價人多次使用同一件量具，對同一零件某一特性進行多次測量下的變差，測量數(shù)據(jù)必須由同一人員、同一產(chǎn)品、同一環(huán)境、同一位置、同一儀器、短期時間內(nèi)測得。再現(xiàn)性（Reproducibility），由不同評價人使用相同的量具，測量一個零件一個特性的測量平均值的變差，測量數(shù)據(jù)必須由不同人員在同一產(chǎn)品、同一環(huán)境、同一位置、同一儀器、較長時間段內(nèi)測得。

根據(jù)汽車工業(yè)行動小組（AIAG）的《測量系統(tǒng)分析 參考手冊（第四版）》推薦的測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集計劃，挑選10個接箍，安排3個作業(yè)人員，對每個接箍的螺距、齒高、中徑、錐度、密封面直徑、齒寬6個指標測量3次，每個指標共計90個數(shù)據(jù)，將采集數(shù)據(jù)用Minitab軟件計算測量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性（Gauge Repeatability & Reproducibility，縮寫GR&R）見表3。

表3 測量系統(tǒng)GR&R匯總

根據(jù)汽車工業(yè)行動小組的《測量系統(tǒng)分析 參考手冊（第四版）》對GR&R的判據(jù)：①如果GR&R小于所測零件公差的10%，那么測量系統(tǒng)可以接受；②如果GR&R大于所測零件公差的10%而小于20%，那么測量系統(tǒng)是可以接受的；③如果GR&R大于所測零件公差的20%而小于30%，那么接受的依據(jù)是數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)的重要程度和改善所花費的商業(yè)成本；④如果GR&R大于所測零件公差的30%，此測量系統(tǒng)不能接受，并且需要進行改善。

比對儀自動測量接箍質(zhì)量參數(shù)，測量系統(tǒng)穩(wěn)定，量具的重復(fù)性和再現(xiàn)性可以接受。測量系統(tǒng)GR&R中徑和密封面直徑計算結(jié)果如圖2～3所示。

圖2 測量系統(tǒng)GR&R中徑計算結(jié)果

4 新技術(shù)對行業(yè)發(fā)展的影響與展望

石油管螺紋自動測量在生產(chǎn)現(xiàn)場的工業(yè)化應(yīng)用實現(xiàn)突破后，將會對整個行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響，短期對制造端的影響比較顯著。

（1）提升產(chǎn)品質(zhì)量控制能力。減少了檢驗人員惰性及技能帶來的產(chǎn)品質(zhì)量風險。

（2）提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。因刀具磨損導(dǎo)致的不合格品將大幅降低，跟產(chǎn)品規(guī)格相關(guān)、種類繁多的量具不再必需。

（3）實現(xiàn)無人化生產(chǎn)。測量數(shù)據(jù)可以實時反饋給加工系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制，為生產(chǎn)線的無人化提供技術(shù)支持。

長期來說，石油管螺紋自動測量投入生產(chǎn)應(yīng)用后，將會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行發(fā)掘與應(yīng)用，將極大促進行業(yè)的發(fā)展速度。展望未來，預(yù)計的應(yīng)用包括：

（1）實現(xiàn)數(shù)字化裝配。內(nèi)外螺紋三維數(shù)據(jù)的采集具備了數(shù)字化裝配的技術(shù)條件，前期對API偏梯內(nèi)螺紋緊密距的計算，數(shù)據(jù)擬合緊密距跟塞規(guī)測量數(shù)據(jù)的偏差已經(jīng)小于0.4 mm。

（2）縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。①將測量數(shù)據(jù)抽象為密封面形狀、齒形及錐體三部分，實測數(shù)據(jù)分解為密封面（理論值）、齒形（理論值）及錐體（有變形的實際值）。研發(fā)階段可以將不同的理論值（設(shè)計）與實際值（測量）封裝成實體，進行有限元計算及試驗，快速篩選最優(yōu)方案；②開發(fā)及優(yōu)化設(shè)計方案過程中無須配套專用量具。

（3）用戶不需要準備各種驗收、測量量具，減少用戶端使用成本。

（4）對加工數(shù)據(jù)的發(fā)掘，可以評估刀具壽命及機床精度，持續(xù)改進刀具、夾具的使用壽命。

圖3 測量系統(tǒng)GR&R密封面直徑計算結(jié)果